復(fù)合地層條件下盾構(gòu)穿越房屋群及河流沉降控制技術(shù)

摘要：當(dāng)前，隧道盾構(gòu)掘進工程項目在我國各地均有開展。在復(fù)合地層條件下，盾構(gòu)穿越房屋群及河流時，容易使地表沉降超過允許的值。對此，筆者結(jié)合自身工作經(jīng)歷，以某市地鐵貢獻項目建設(shè)為背景，簡要探討了這種條件下的沉降控制技術(shù)，希望能促進我國盾構(gòu)穿越施工技術(shù)水平的提升。

關(guān)鍵詞：復(fù)合地層;盾構(gòu);沉降;控制

在我國社會改革開放進程不斷深化的今天，城市成為越來越多人向往的地方，我國的城市規(guī)模不斷擴大，人口數(shù)量急劇增長，這使得我國的許多城市，尤其是那些特大城市、省會城市出現(xiàn)了較為嚴重的城市病，其中交通擁堵就是十分影響人們正常生活的問題。為了有效的解決這類問題，我國的許多城市，借鑒國內(nèi)外相關(guān)城市的發(fā)展經(jīng)驗，積極發(fā)展地下鐵道交通（簡稱地鐵）。目前，我國的北京、上海、廣州、深圳、杭州、鄭州、武漢、成都等各地城市已經(jīng)建成了大批的地鐵線路并投入運行，而且還在大舉進行建設(shè)新線路。很明顯，城市地鐵線路的運行，促進了這些城市的發(fā)展，一定程度上緩解了交通擁堵問題。

隨著時代的發(fā)展，城市地鐵的施工進度必將持續(xù)加快，在這樣的背景下，有一些線路需要穿越復(fù)合地層條件，在地鐵隧道盾構(gòu)穿越這些復(fù)合地層條件的地區(qū)時，必然會對地面上的房屋群和河流產(chǎn)生一定的影響，最主要的就是沉降問題。為此，迫切需要對這些沉降發(fā)生機理進行分析，并采取一定的有效措施，對這些沉降進行控制，使這些沉降不會對建筑物的安全、河流的平穩(wěn)運行造成影響。在盾構(gòu)隧道掘進過程中，控制地層的塌陷和地表沉降目前已成為隧道盾構(gòu)施工質(zhì)量的主要控制目標，也是隧道盾構(gòu)施工過程中，相關(guān)設(shè)計方案、施工技術(shù)合理性、先進性的重要體現(xiàn)。

一、工程概述

為了更好的闡述復(fù)合地層條件下，盾構(gòu)穿越房屋群及河流的沉降控制技術(shù)，本文結(jié)合筆者自身工作經(jīng)歷，以某市地鐵線路的一段區(qū)間的盾構(gòu)工程施工為例，論述其中采取的沉降控制技術(shù)。

某市地鐵線路的一段盾構(gòu)區(qū)間全長1.7千米，沿線需要穿越一條河流、一座鐵路橋和20多棟層高均在15層以上的建筑物;盾構(gòu)區(qū)間的地質(zhì)經(jīng)過前期勘察，發(fā)現(xiàn)地質(zhì)變化起伏程度較大，屬于復(fù)合地層，地層的呈現(xiàn)軟硬不均、地層空洞的特征;經(jīng)過的河流河床寬42.7米，河床底距左線隧道頂最近的位置只有7.2米，而且其中還存在3.8米厚的中砂層，這段砂層是軟硬不均地質(zhì)。

如下為穿越的此段區(qū)間的地質(zhì)斷面圖。

圖一""隧道穿越區(qū)間左右洞地質(zhì)斷面圖

圖二""隧道穿越區(qū)間某河流地質(zhì)斷面圖

二、盾構(gòu)穿越法論述

在本次討論的地鐵線路建設(shè)的過程中，采取的隧道施工方法就是盾構(gòu)法。因為采取盾構(gòu)法進行施工，不僅能夠使城市的交通、商業(yè)、粉塵、噪聲等環(huán)境影響大量減少，而且還能減少對城市地面、地下建筑物的影響。但是，盾構(gòu)掘進法在施工過程中，會改變地底的受力情況，不可避免的導(dǎo)致一定的變形災(zāi)害發(fā)生，這類災(zāi)害主要是地層變形、地表沉降和建筑物變形，最直觀的表現(xiàn)為建筑物及河流等的沉降。

在地鐵隧道盾構(gòu)過程中，周圍結(jié)構(gòu)物的地表沉降，從本質(zhì)上講，是由于地層變形而導(dǎo)致的。因此，只有有效控制地層的變形和沉降，才能對周圍建筑物的結(jié)構(gòu)安全提供一定的保證。目前，在盾構(gòu)機械穿行于地下時，除了由于地底周圍土體在盾構(gòu)擾動作用下會發(fā)生一定的沉降之外，還存在由于盾構(gòu)機械在維修或者遇到障礙物無法前進，需要進行長時間的停機，在機械周圍也會發(fā)生一定的地表沉降現(xiàn)象。總之，由于土體結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，使得地表發(fā)生沉降，會危及地表建筑物、河流以及地下的管線，嚴重可能出現(xiàn)生命財產(chǎn)安全問題，因此，在復(fù)合地層的盾構(gòu)施工中，需要控制好沉降標準，采取正確的沉降控制措施，提升盾構(gòu)掘進施工的安全水平。

三、本工程確定的沉降控制標準

經(jīng)過前期的地質(zhì)勘測的調(diào)查分析，綜合工程實際情況，確定在施工過程中，允許的地表的最大沉降值為1厘米，隆起高度小于1厘米;對于石頭、混凝土磚結(jié)構(gòu)、建筑物的條形基礎(chǔ)，在基礎(chǔ)傾斜方向兩端點的沉降差與兩點之間距離的比值要低于0.002;對于建筑物的框架結(jié)構(gòu)、樁基礎(chǔ)，其沉降差與相鄰樁基之間中心距離的比值也需要低于0.002.

四、盾構(gòu)施工過程中，防止地表沉降的控制技術(shù)分析

當(dāng)隧道在經(jīng)過復(fù)雜地層上方具有建筑物或者河流時，由于上部的建筑物或者河流對地層壓力會增加，盾構(gòu)機械在施工時，需要保證推進過程中開挖面的土倉壓力處在最小開挖面推力和最大推力之間，以保證整個開挖面的穩(wěn)定，這樣能夠確保盾構(gòu)機械挖土后，在隧道上的覆地層不會出現(xiàn)較大的垂直位移。由于本次隧道工程經(jīng)過的地區(qū)，存在的建筑物及河流的載荷較大，對土層的壓力較大，為了維持掘進區(qū)間開挖面的穩(wěn)定，需要盾構(gòu)機在開挖面處提供較大的支護力，對于盾構(gòu)機械的運行會產(chǎn)生嚴重的影響，不利于盾構(gòu)機械的長時間工作，因此，應(yīng)在施工過程中，首先對地層的沉降進行預(yù)測分析，然后設(shè)法改變土層的性質(zhì)，增強土體的強度，增大土體的抗變形能力，減少后期施工過程和使用過程的地表沉降，最終使隧道穿越的這些地區(qū)的沉降值在允許的范圍之內(nèi)。

（一）盾構(gòu)區(qū)間地層沉降預(yù)測

為了對盾構(gòu)區(qū)間隧道掘進過程中，穿越這些高層建筑和河流是可能引起的沉降情況進行充分的掌握，然后采取有效的控制措施，首先需要進行盾構(gòu)區(qū)間的地層沉降預(yù)測。在施工開始前，利用相關(guān)的理論研究成果，借助有效的數(shù)值方法，對施工過程中可能引起的地表沉降情況進行預(yù)測。結(jié)合本工程周圍地質(zhì)條件，通過數(shù)值方法進行預(yù)測，預(yù)測本次盾構(gòu)施工過程中，最大的沉降值為2厘米，而隧道施工過程中，上層建筑物和河流的允許沉降值在1厘米，已經(jīng)超過允許的沉降的上限值，因此在施工前、施工中和施工后采取有關(guān)的沉降控制技術(shù)，保證盾構(gòu)施工的安全有效進行。

（二）設(shè)計好管片拼裝、盾構(gòu)掘進參數(shù)，減小沉降

在施工前，進行預(yù)測沉降之后，則需要采取進一步的補勘，對特殊路段再次進行詳細的勘探，然后依據(jù)地質(zhì)情況制定有針對性的掘進方案，并對相關(guān)可能出現(xiàn)的緊急清孔做好應(yīng)急預(yù)案。然后設(shè)計好盾構(gòu)機械的管片安裝。在管片安裝時，要確保每一片每一環(huán)的首尾間歇都進行了檢測，保證間隙值在設(shè)計允許的范圍內(nèi)。

在盾構(gòu)開始前，結(jié)合經(jīng)驗，按照不同的地層結(jié)構(gòu)設(shè)置合理的掘進參數(shù)。首先是設(shè)置合理的土壓力，在土壓力設(shè)置過程中，需要利用地表檢測的有效數(shù)據(jù)信息及時的改變土壓力;其次，需要設(shè)計好推進速度，經(jīng)過前期的調(diào)查，確定區(qū)間內(nèi)每一小分段的推進速度，并確定每環(huán)的出土量在規(guī)定的范圍內(nèi)，減少對地層的擾動。

（三）對地面建筑物、河流及換刀點進行預(yù)加固

依據(jù)線路經(jīng)過地區(qū)建筑物與掘進過程中的沉降分析，對前期預(yù)測的沉降嚴重地區(qū)進行建筑物基礎(chǔ)的局部或者全部進行注漿加固，使建筑物地基在經(jīng)過注漿之后，其承載力和整體性得到顯著的提升，減少甚至是避免由于盾構(gòu)施工引起的基礎(chǔ)的不均勻沉降。也可以采取在地面向建筑的基礎(chǔ)下方布置一定的注漿管，然后在掘進過程中，依據(jù)測量信息和反饋的資料，及時的跟蹤注漿。預(yù)加固方法在地面建筑物、河流及換刀點都應(yīng)實施。

（四）掘進過程中控制好推進速度

在盾構(gòu)機械穿越建筑物及河流下部時，應(yīng)降低推進速度，在盾構(gòu)推進方向嚴格正確的基礎(chǔ)之上，保證推進的速度適宜而且維持恒定，減少推進過程中的糾偏。

（五）嚴格按照盾構(gòu)參數(shù)掘進

依據(jù)前期已經(jīng)設(shè)計好的盾構(gòu)參數(shù)，在實際盾構(gòu)時嚴格按照設(shè)計值進行盾構(gòu)機械的運行。因為盾構(gòu)推進情況與土壓力、千斤頂總推力、總扭矩以及出土速度等有關(guān)，設(shè)計的盾構(gòu)參數(shù)結(jié)合沉降控制標準而確定，因此應(yīng)嚴格按照設(shè)計值運行。一旦盾構(gòu)速度過快或者土壓過大，都會對土體產(chǎn)生擾動，引起過大的沉降。

（六）盾構(gòu)期間注重灌漿過程，尤其是同步注漿

在盾構(gòu)掘進通過復(fù)合地層區(qū)間時，需要進行同步注漿，以保證施工時對建筑物的沉降能夠經(jīng)過同步注漿進行消減甚至抵消。但是，在同步注漿過程中，如果注漿的壓力過小，漿液的填充速度將會較慢，而且填充不充分，由于空隙的存在也會使地表變形增大;如果注漿的壓力過大，則管片外的土層將會受到注入的漿液的擾動影響，在施工后期會發(fā)生較大的后期沉降。漿液在注入前，還需要有一定強度，通過對漿液的配合比進行合理的設(shè)置，保證漿液通過管道灌入之后，能夠在6～8小時之內(nèi)出現(xiàn)初凝。

（七）二次補漿（環(huán)箍補漿及多次補漿）及時

在盾構(gòu)過程中，當(dāng)管片脫離盾尾五片以上時，則需要對環(huán)片間隙進行二次注漿。注漿量為首次注漿量的30%。在這一過程中采取的注漿方式是多次少量，而且要依據(jù)地表監(jiān)測到的沉降情況進行綜合考慮分析。

（八）加強監(jiān)測

在當(dāng)前，科學(xué)技術(shù)水平發(fā)達的年代，應(yīng)借助先進的監(jiān)測技術(shù)，加強對施工過程中產(chǎn)生的地表沉降進行監(jiān)測，對施工區(qū)間管線情況、河流斷面情況進行檢測分析，對盾構(gòu)中的注漿工藝、注漿參數(shù)、油壓、溫度等進行監(jiān)測，并利用數(shù)據(jù)分析技術(shù)，對各數(shù)據(jù)進行有效分析，反饋給指揮中心，及時協(xié)調(diào)、修正掘進方案和參數(shù)，保證掘進過程能夠平穩(wěn)，同時，使得地表的建筑物和河流不受影響。

（九）加強施工管理

在隧道盾構(gòu)掘進工程項目施工中，施工管理對于地表沉降的影響作用也是巨大的，應(yīng)引起有關(guān)管理人員的重視，積極加強對施工現(xiàn)場的管理，促進施工過程的平穩(wěn)安全。

總結(jié)

對于復(fù)合地層，進行隧道掘進施工時，往往由于受力層結(jié)構(gòu)的變化，加之地表的建筑物、河流的大型荷載作用，容易出現(xiàn)地表沉降，威脅建筑物安全和隧道掘進施工安全的現(xiàn)象。因此，應(yīng)結(jié)合實際地質(zhì)勘測結(jié)果，做好施工過程的準備工作，加強施工工藝水平，加強現(xiàn)場管理，促進隧道掘進項目的有序開展，為地鐵隧道工程早日發(fā)揮作用，具有重要的意義。

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